海岛礁测绘的主要技术及方法

黄文骞

(海军大连舰艇学院 海洋测绘系，辽宁 大连 116018)

一、引 言

海洋测绘是陆地测绘向海洋的自然延伸。海岛礁测绘作为海洋测绘的重要组成部分，既不同于传统的陆地测绘，也有别于传统的海洋测绘，其主要技术与方法不仅是两者的有机统一，还有许多新的内涵和特点。近年来，随着国家不断加强维护海洋权益，积极拓展海洋资源开发利用，海岛礁对海洋的控制作用日益显著，精确测绘的海底地形地貌和海岛礁地理空间信息是解决国与国之间海洋国土及海洋资源争端的重要依据，也是进行海岛礁管理和经济开发的重要基础。因此，海岛礁测绘正受到越来越多的重视，其主要内容包括：建立海岛礁测绘基准，利用航空航天技术进行海岛礁识别定位与遥感测图，开展海岛礁潮位与岸线综合判定，生产海岛礁矢量地形数据、数字高程模型、数字正射影像图，编制海岛礁地图，实现海岛礁地理环境动态表达与三维可视化等。

二、海岛礁测绘基准

海岛礁测绘基准包括大地基准、垂直基准(高程基准与深度基准)和重力基准。海岛礁大地基准可分为与大陆一致的海岛礁大地基准和海岛礁独立大地基准。前者是将大陆大地控制网向海岛礁延伸，通过数据处理建立与大陆一致的海岛礁大地基准，以保证大陆测绘成果与海岛礁测绘成果的一致性。它需要在大陆沿岸及岛礁布测大地控制网，建成均匀覆盖主要海域的海岛礁大地控制网。为保证已有测绘成果的转化与应用，在大地控制网建设过程中还需要联测已有海岛礁大地控制点(如天文大地控制网点)。大地基准建设需要充分考虑与2000国家大地坐标系(CGCS2000)大地基准的有效衔接，并通过联测已有海岛三角点，建立海岛礁测绘基准与已有国家参心坐标系统的转化关系。而海岛礁独立大地基准一般是受限于历史条件或技术条件，无法实现大陆大地基准向海岛礁传递，而引入的一种地方独立大地基准。

海岛礁垂直基准包括高程基准和深度基准。高程基准定义了陆地和海岛礁高程测量的起算点。高程基准的建设包括高程基准点和高程框架的建立，高程基准的参考面为似大地水准面，主要采用物理大地测量方法，联合多源重力场探测数据按Molodensky边值方法计算。根据实现方式不同，高程系统主要分为正高系统和正常高系统两大类。高程框架是高程系统的实现，我国水准高程框架由全国高精度水准控制网体现，以黄海高程基准为起算基准，以正常高高差为水准高程传递方式。通过精化似大地水准面的方法建立起来的高程框架称为似大地水准面高程框架，是海洋、海岛礁高程基准传递的主要表现形式。深度基淮定义了计算水体深度的起算面。深度基准的确定应遵循两个原则：一要保证航行安全；二要充分利用航道。由于各地潮汐性质不同，存在海面地形，采用的计算方法不同，许多国家和地区的深度基准面也不相同。目前，深度基准面的实现只是验潮站相对于当地多年平均海面的数值形式，数据处理过程对该基准面未进行严格的标定与维持，历史数据和直接计算方法的差别，导致一些验潮站的深度基准面存在偏差。因此，建立统一的深度基准已成为海岸带、海洋、海岛礁测绘急需解决的关键问题。

重力基准是标定一个国家或地区的(绝对)重力值和重力段差的标准，包括重力测量基准和地球重力场参考系统。重力测量基准是标定(绝对)重力值和相对重力尺度的标准，地球重力场参考系统规定了地球重力场所参考的正常重力场及其表示方法。重力测量参考框架是重力测量基准的一种实现形式，由分布在各地的若干绝对重力点和相对重力点构成的重力控制网，以及用作相对重力尺度标准(重力段差)的若干条长短基线构成。目前，我国已先后建立了1957重力基本网、1985国家重力基本网和2000国家重力基本网。当前，急需进行海域多种重力数据融合，对收集到的陆地重力、船测重力、航空重力、卫星测高反演重力和卫星重力数据进行融合处理，形成重力异常成果数据集。

三、海岛礁识别定位

海岛礁识别定位是指精确确定哪些目标是海岛礁及其具体地理位置分布。其中，海岛礁遥感识别是利用遥感影像探测确定一个目标或特征目标的客观存在，再根据影像上目标的细微特征，识别这一实体的准确度，并归为某一特定的海岛礁类别，查明海岛数量。精确定位是利用高精度的海洋潮汐预报与水位推算、高精度卫星静态定位基线测量、卫星静态定位、大范围稀少控制的高精度高分辨率卫星遥感测图等新技术，融合多种相对或绝对控制技术，解决海岛航空立体测图和非立体影像高精度纠正的控制布测及稀少特征的遥感控制传递技术，实现海岛礁遥感识别与精确定位。

海岛礁识别不同于传统的陆地测绘，它是利用航空航天遥感手段，根据传感器所接收到的电磁波光谱特征的差异来识别岛礁类型，实现对海岛礁目标及其自然地理分布特征的确定、暗礁精确识别和水下地形探测等。它涉及海岛礁遥感影像处理、解译标志、识别模型等技术内容。随着遥感技术的发展，越来越多的遥感卫星升空，遥感数据采集手段的多样性，观测条件的可控性，确保了所获得遥感数据的多源性，即多平台、多波段、多视场、多时相、多角度、多极化等。目前，可用于岛礁识别的遥感数据有Landsat、IKONOS、QuickBird、SPOT、ALOS、RapidEye、WoridView、GeoEye-1、尖兵、北京-1号、RADARSAT、JRS、ENVISAT、IRS、CBERS等。海岛礁识别是在检测结果的基础上，对海岛礁类型和是否存在作进一步的确认。半自动或全自动识别主要是面向高空间分辨率遥感影像中目标的判别分析，是对遥感影像的不同区域进行特征提取与分析，对其中所蕴含的各种用户感兴趣区域的目标地物进行分离，并采用计算方法对相应特征进行自动提取、分析与表达。在识别过程中，通常海洋中的大型船舶会对海岛礁识别造成一定的影响，利用多时相影像，通过对同一区域的目标影像作对比分析，同时结合移动船只的尾迹特征进行综合判断，可以确认检测结果是船舶或是海岛礁。

海岛礁定位由于普遍存在测绘资料少、控制点不易布设等困难，因而需要采用新的定位手段。主要的技术方法有：遥感卫星轨道与姿态参数精确外推技术、线阵CCD传感器RFM通用成像模型参数估计理论与技术、稀少(无)控制点多源异构遥感数据几何一体化定位与遥感控制传递处理技术。其中，遥感卫星轨道与姿态参数精确外推技术主要是研究遥感卫星轨道与姿态参数的精确反演与无控制点遥感影像精准定位技术；线阵CCD传感器RFM通用成像模型参数估计理论与技术主要是指基于视线方向矢量的严格几何成像模型构建、基于共线方程的高分辨率卫星影像严格几何成像模型构建和有理函数模型(FRM)参数的稳健估计算法；稀少(无)控制点多源异构遥感数据几何一体化定位与遥感控制传递处理技术主要是指控制点和遥感影像连接点的自动或半自动高精度量测算法、基于RFM模型的稀少(无)控制的区域网平差技术等。

四、海岛礁遥感测图

海岛礁遥感测图是指采用航空航天遥感手段获取海岛礁地形地貌的基础性地理信息，并进行海岛礁数字线划地形图(DLG)、数字高程模型(DEM)、数字正射影像图(DOM)等数字测图产品的生产。由于海岛礁普遍具有分布零散和远离大陆的特点，使得采用传统的全野外测图方式，存在登岛难度大、测图成本高、成图周期长等不足。因此，目前仍有许多海岛礁是地理盲区，没有相关的测图产品。航空航天遥感测图能够较好地克服自然条件的限制，利用高、中、低航空摄影测量技术与机载激光雷达技术，以及高分辨率光学、雷达卫星成像技术，可以对近海、远海，以及不宜、不易到达的海岛礁，存在争议或他国非法侵占的海岛礁进行高效率、高精度非接触式测图。目前，海岛礁遥感测图主要是采用全数字摄影测量方法，并在滩涂区测图采用LiDAR等手段进行辅助。

航空航天遥感测图由外业和内业两部分组成。外业包括控制点测量与地物调绘，内业包括空中三角测量与区域网平差、影像校正、地物要素采集等。其中，航空遥感测图主要是运用GNSS/IMU航空摄影测量技术，利用航摄飞机按一定的航摄规格获取海岛礁航空遥感影像，通过少量的海岛地面控制点布测，进行稀少(无)控制的空中三角测量，获取每一影像的外方位元素，恢复航空遥感影像立体模型，实现海岛礁DLG、DEM和DOM地形要素采集，并制作生成海岛礁测图产品。而航天遥感测图主要是采用卫星立体影像，基于高精度的轨道和姿态参数，外推和反演出高精度遥感卫星数据处理和自动几何定位所需的高频度、高精度的轨道与姿态信息，结合瞬时海水水位、相邻海岛礁间基线长度等相对控制信息，建立稀少(无)控制条件下的大范围多源遥感影像联合平差方法，进行海岛礁测图。

在海岛礁的滩涂区，由于传统的光学影像纹理及对比度较弱，直接影响其测图精度，有时甚至无法进行测图作业。LiDAR是海岛礁测图的新技术手段，它集激光测距技术、计算机技术、惯性测量单元(IMU)、差分定位技术(DGPS)等于一体，能够弥补传统摄影测量技术在滩涂区上测图的不足，能够快速、准确地获取地表高精度、高密度的高程数据。也就是说，LiDAR测图是通过海岛礁激光点云数据获取，再经过内业数据处理，实现海岛礁的DLG、DEM、DOM等数字测图产品的制作。

五、海岛礁潮位与岸线综合判定

海岛礁潮位与岸线综合判定是海岛礁测绘不可或缺的重要内容。海岸线一般被认为是陆地和海洋的分界线，在有潮海为多年平均大潮高潮的水陆分界线，在无潮海为平均海面的水陆分界线。显然，海岸线是条实际中不存在的理论曲线，不能通过实地定位和遥感测图方法直接获取，我国通常是以平均大潮高潮的痕迹线所形成的水陆分界线作为海岸线，这种上冲流形成的痕迹线，一般为断续存在，其受非潮汐水位影响较大，并随海岸类型、岸线走向、地貌特征的不同而存在差异。在我国东海，有些面积不大的小岛痕迹岸线的高程不符值可达2 m，而大点的岛屿不同方向痕迹岸线的高程差可达3～5 m。因而，不论是采用现场测量还是遥感影像判绘方法，不同作业人员对痕迹岸线的判断都会产生一定的差异。在同一段海岸，不同的作业人员所测的痕迹岸线位置会有些差异，甚至同一人对同一段海岸两次测量痕迹岸线的结果也会存在差异。因此，海岛礁潮位与岸线综合判定和量测急需进一步完善与规范。

国际上，海岸线均被定义为平均大潮高潮线，然而具体实现和确定方法却有所不同，美国、加拿大、欧洲、澳大利亚等是将平均大潮高潮面作为一种特定的潮汐基准面，由潮汐调和常数计算和确定，该面与海岸和海岛的水平截痕作为实际的大陆岸线或海岛岸线。而我国是将平均大潮高潮时留下的痕迹线作为岸线，事实上测定海水及漂浮物在海岸和岛礁上留下的较重痕迹作为岸线的测定手段，由于不存在“平均大潮高潮时刻”，因而大陆、岛礁海岸上留下的痕迹线并不唯一或不明显，这种实用的方法在岸线的具体确定中往往要依赖于测量人员的工作经验，且难以保证岸线的高度确为平均大潮高，存在定义及其实现在某种程度上的差别。将潮位(平均大潮高潮位)应用于岸线确定需要对潮汐信息作深入的挖掘，用相应的计算公式推算所需的高度值。

在海岛礁的岸线确定上，岸线高度的确定基准涉及海图深度基准面、平均海面和国家高程基准面等。对于全野外数字测图和高程传递的海岛，利用岛上短期验潮站与邻近的一个或多个长期验潮站观测资料，由潮差比法和长期验潮站的平均大潮潮高计算海岛礁处的平均大潮高度，直接以1985国家高程基准表达，并与实测痕迹岸线高度比较。对于海岸线及周边水深一起测量的海岛，由岛上短期验潮站和邻近长期验潮站的同步水位观测资料传递平均海面及1985国家高程基准，用潮差比法确定岸线平均大潮高潮高，并与实测岸线高度比较。对于由潮汐模型和海面地形模型按调和常数计算法(平均半潮面和平均大潮半潮差)和一定时段的平均大潮高预报法确定岸线的高度，推求平均大潮高潮高度要考虑海面地形的影响，并与实测岸线比较。对于以GPS RTK技术实测的岸线，用大地高的形式测定高程，根据精化的大地水准面模型，确定实测岸线的1985高程，并与基准传递法的结果、水位传递法、平均大潮高潮特征潮位传递法的结果作比较。确定岸线的关键在于根据平均大潮高潮高度和陆、岛礁地形确定岸线的平面位置。对于在遥感影像上能判读痕迹线的海岛，可根据潮汐模型计算的平均大潮高潮高度和痕迹线的修正数据，直接对该线状要素赋高程信息，结合瞬时水位线的位置和高度对海岛礁的DEM作垂向定位，依据DEM模型计算岸线以下部分的坡段，并根据岸线高度和DEM变化梯度确定零米等高线。对于无法判断痕迹线的海岛，可通过判读瞬时水位线的形状，根据潮汐预报模型和水位推算结果确定像对不同拍摄时刻的瞬时水位线高度，由海面地形模型和瞬时水位高度对像片进行垂向定位，构建海岛礁DEM，并逐网格点计算DEM梯度，再由梯度和平均大潮潮高，计算确定岸线和零米等高线。

六、结束语

海岛礁测绘是测绘科学与技术领域迫切需要发展的一个重要分支，它包含海岛礁测量与海岛礁制图。目前，海岛礁测绘面临长距离测绘基准传递、岛礁精确定位、暗礁探测、无地面控制海岛礁遥感测图、海岛岸线综合判定等技术难题，其理论与技术方法急需进一步提高和完善。为此，本文着重介绍了海岛礁测绘基准、海岛礁识别定位、遥感测图、潮位与岸线综合判定等技术，并提出了解决各技术难点的方法。毫无疑问，航空航天遥感技术、计算机技术、信息处理技术的发展，必将带动海岛礁测绘不断取得新进展、手段更丰富、技术方法更先进，从而为国家海洋权益维护和自然资源开发提供更加有力的技术支撑。

参考文献：

[1] 党亚民，程鹏飞，章传银，等．海岛礁测绘技术与方法[M]．北京：测绘出版社，2012.

[2] 黄文骞．海军对海洋遥感测绘专业人才的需求分析[J].海军大连舰艇学院学报，2011，34(6)：23-24，36.

[3] 黄文骞．海洋测绘信息处理新技术[J].海洋测绘，2010，30(5)：77-80.

[4] 黄文骞．海洋测量信息处理技术的发展[J]．测绘工程，2004(3)：1-4.

[5] 梁开龙，黄文骞．海洋测绘发展中的几种新技术[J]．海洋测绘，1999，19(2)：2-6.

[6] 暴景阳．海洋测绘垂直基准综论[J]．海洋测绘，2009，29(2)：70-73，77.

[7] 翟国君, 黄谟涛, 欧阳永忠, 等．海洋测绘的现状与发展[J]．测绘通报，2001(6)：7-9.

[8] 中国测绘学会海洋测绘专业委员会．海洋测绘发展现状[J]．测绘通报，1997(6)：7-11.

[9] 陈洪云, 翟国君．海洋测绘进展评述[J]．海洋测绘，2004，24(1)：63-65.

[10] 赵建虎，李娟娟，李萌．海洋测量的进展及发展趋势[J]．测绘信息与工程，2009，34(4)：25-27.

[11] 毕永良，孙毅，黄谟涛，等．海洋测量技术研究进展与展望[J]．海洋测绘，2004，24(3)：65-70.

[12] 翟国君, 黄谟涛．我国海洋测绘发展历程[J]．海洋测绘，2009，29(4)：74-81.